淺談三維地形建模系統(tǒng)及無人機(jī)在單體建筑建模中的應(yīng)用1 引言 地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)隨著時(shí)代的發(fā)展被賦予了不同的時(shí)代內(nèi)涵，隨著時(shí)代的變遷無時(shí)無刻不在發(fā)生著深刻的變革，伴隨著“數(shù)字地球”建設(shè)和虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)技術(shù)從無到有的快速蓬勃發(fā)展，地理信息系統(tǒng)技術(shù)從傳統(tǒng)的描繪二維世界，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的需求，三維(3D)地理信 息系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這種新的三維建模系統(tǒng)具備更加強(qiáng)大的空間信息處理和分析能力，使得地理信息表現(xiàn)形式更加豐富多彩，并且直觀逼真。在無人機(jī) 被應(yīng)用于三維建模之前，通常是利用衛(wèi)星或者載人航空技術(shù)提供的遙感資料進(jìn)行三維建模，利用這兩種方法建立的三維地形模型有很多局限性，比如成本昂貴、實(shí)時(shí)性較差等。而無人機(jī)技術(shù)的日新月異以及無人機(jī)市場(chǎng)的逐漸成熟讓無人機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，無人機(jī)從最初的種類和用途單一到現(xiàn)如今的種類繁多以及功能多樣，這給無人機(jī)進(jìn)行三維地形建模帶來了無限生機(jī)。利用無人機(jī)遙感所提供的影像 數(shù)據(jù)進(jìn)行三維地形建模，在試驗(yàn)中收獲了良好的效果，虛擬現(xiàn)實(shí)更加清晰、栩栩如生。本文從三維地形建模系統(tǒng)和無人機(jī)在單體建筑建模中的應(yīng)用進(jìn)行探討。  2 三維地形建模系統(tǒng) 在地理信息的實(shí)際應(yīng)用過程中，三維地形建模所提供的可視化專題地圖，反映的地理信息狀況更加完善、科學(xué)、有效，打破傳統(tǒng)二維工作模式的束縛， 能夠極大提高工作效率。三維地形建模系統(tǒng)通常由五個(gè)步驟組成，第一步是利用衛(wèi)星或者載人航空或者無人機(jī)提供的遙感影像獲取最原始的數(shù)據(jù)資料， 一般這些數(shù)據(jù)都需要進(jìn)行預(yù)處理，因?yàn)闊o人機(jī)遙感本身或者飛行時(shí)的姿態(tài)會(huì)導(dǎo)致影像外部幾何變形， 因此需要對(duì)原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行變形糾正，幾何變形糾正一般是通過參照大比例尺的地形圖數(shù)據(jù)，有一些是通過參照實(shí)地測(cè)量控制點(diǎn)坐標(biāo)，這一步完了之后利用相關(guān)的圖像處理軟件，對(duì)所獲取的影像進(jìn)行光譜補(bǔ)償和鑲嵌拼接;第二步是把影像數(shù)據(jù)分割成不同的子區(qū)域，用來表示目標(biāo)對(duì)象的各個(gè)表面，這種影像數(shù)據(jù)分割可以基于好幾種不同的算法，比如基于邊界檢測(cè)和基于表面提取的算法等;第三步的目的是為了獲取目標(biāo)完整的三維信息，這就需要從不同的角度或者視點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，獲取相應(yīng)的距離圖像， 最后再將這些距離圖像進(jìn)行深度融合，建立目標(biāo)對(duì)象的立體三維模型，即距離圖像的配準(zhǔn);第四步和第五步是進(jìn)行幾何建模和紋理建模。一般是運(yùn)用 2D 光學(xué)圖像和 3D 距離圖像獲取周圍目標(biāo)對(duì)象的三維地理采樣信息，進(jìn)而重構(gòu)目標(biāo)三維立體模型。在這五個(gè)步驟當(dāng)中，距離圖像分割和配準(zhǔn)是最關(guān)鍵的兩步， 直接影響最終建立的三維模型質(zhì)量，由于距離圖像分割和配準(zhǔn)基于的一些算法精度不是很理想，導(dǎo)致三維建模仍然有很大的提升空間。  3 無人機(jī)在單體建筑建模中的應(yīng)用 隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)越來越多地被應(yīng)用于無人機(jī)遙感領(lǐng)域，從而進(jìn)行三維建模。由于無人機(jī)一般都是進(jìn)行低空飛行，因此無人機(jī)遙感技術(shù)主要是應(yīng)用于獲取一些近地表目標(biāo)物的信息， 比如單體建筑物。無人機(jī)遙感技術(shù)作為一種新興遙感技術(shù)，具有較強(qiáng)的時(shí)效性，成本低廉以及安全的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展?jié)摿^大，世界各國投入了大量的人力物力財(cái)力在無人機(jī)遙感的開發(fā)與應(yīng)用上面。下面就簡(jiǎn)單探討一下無人機(jī)在單體建筑建模中的應(yīng)用。 利用無人機(jī)對(duì)單體建筑物進(jìn)行三維建模過程中，由于無人機(jī)的航線一般是在二維尺度上，為了能夠?qū)θS立體建筑物進(jìn)行全覆蓋，無人機(jī)的航線在規(guī)劃時(shí)就需要從二維擴(kuò)展到三維尺度上。目前測(cè)繪行業(yè)應(yīng)用最廣的三維建模方法為航空傾斜攝影測(cè)量，但由于攝影角度并非可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，相對(duì)來說比較固定，因此存在一定程度的盲區(qū)，這就直接導(dǎo)致了獲得的單體建筑物三維信息存在缺失。業(yè)內(nèi)利用無人機(jī)遙感獲取的三維信息主要有兩種，這兩種方法分別為近景攝影測(cè)量和航空攝影測(cè)量，無論哪一種，各有利弊。近景攝影測(cè)量由于距離較近，因此獲取的建筑物三維信息精度比較高，缺點(diǎn)在于花費(fèi)的時(shí)間成本較高以及無法獲取建筑物頂面的三維信息。航空攝影測(cè)量獲得的建筑物三維信息所需的時(shí)間較短，不足之處是經(jīng)濟(jì)成本較高并且不能完整地收集建筑物側(cè)面信息。如果能夠?qū)⑦@兩種方法綜合使用，取長補(bǔ)短，并且合理設(shè)計(jì)無人機(jī)三維航線，則可以大大提高三維建模的質(zhì)量與效率。 利用無人機(jī)遙感對(duì)單體建筑進(jìn)行三維建模一般由四個(gè)環(huán)節(jié)組成，首先啟動(dòng)程序環(huán)節(jié)，輸入建筑物高度、相機(jī)參數(shù)等初始數(shù)據(jù);然后程序自動(dòng)規(guī)劃出三維航線;之后無人機(jī)飛行進(jìn)入工作狀態(tài)，對(duì)單體建筑物進(jìn)行拍照以獲取相應(yīng)的圖像資料;最后對(duì)獲取的一手影像資料進(jìn)行處理并建模。比較關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)在于三維航線的規(guī)劃，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用過程中，三維建模的對(duì)象很多并非是簡(jiǎn)單規(guī)則的單體建筑物，這給全面獲取其信息造成了很大的困難，這就要求無人機(jī)從不同角度進(jìn)行觀測(cè)并拍照，如果無人機(jī)飛行過程中只攜帶了一個(gè)相機(jī)的話，航線規(guī)劃要考慮到三個(gè)方面，分別是側(cè)面與頂面、面與面銜接處、底邊優(yōu)化的航線規(guī)劃。經(jīng)試驗(yàn)論證這種方案可行性很高， 能夠較全面完整地獲取單體建筑的三維信息，并為三維建模提供精確可靠的一手遙感影像資料。  4 結(jié)束語 本文主要簡(jiǎn)述了三維地形建模系統(tǒng)的五個(gè)工作步驟，分別為數(shù)據(jù)獲取、圖像分割、圖像配準(zhǔn)、幾何建模以及紋理建模。這五個(gè)工作步驟環(huán)環(huán)相扣，相輔相成，其中最為關(guān)鍵的兩步是距離圖像的分割和距離圖像的配準(zhǔn)，這直接影響著最終建立的三維地形模型的質(zhì)量，在實(shí)際工作當(dāng)中，我們都需要高度重視。隨著地理信息科學(xué)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)于世界各國的重要性不言而喻，另外由于無人機(jī)遙感在單體建筑建模中擁有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)， 特別是針對(duì)世界上一些不發(fā)達(dá)國家，無力支撐起資金以及技術(shù)投入巨大的航空航天領(lǐng)域，但無人機(jī)遙感平臺(tái)的出現(xiàn)為這種尷尬的局面提供了一種全新的思路，因其成本較低，精度較高、操作簡(jiǎn)單、對(duì)工作環(huán)境要求不是很苛刻、靈活機(jī)動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，合理規(guī)劃無人機(jī)的三維航線，就能夠提供完整的建筑物三維地理信息，十分有利于單體建筑的精細(xì)化建模，未來針對(duì)單體建筑三維建模中潛力很大。 |